革命性な駆動多重昇圧技術、高電圧EVと低電圧充電インフラのギャップを埋める
自動車産業は、炭素排出量削減と化石燃料への依存低減を求める動きから、未曾有の変革期を迎えている。電気自動車（EV）は持続可能な交通手段として注目を集めているが、その発展には重大な課題が存在する。高性能化と急速充電を実現する800V高電圧アーキテクチャと、依然として400V低電圧が主流の既存充電インフラとの非互換性だ。この文脈の中、研究者グループが革新的な技術を開発し、高電圧車両が従来の充電スタンドを利用できるようにしたことで、電動モビリティの進化に画期的な一歩を踏み出した。
高電圧移行の課題
化石燃料の枯渇と環境悪化が進む中、世界中の国々はより環境にやさしい生活様式を模索している。電気自動車はエネルギー転換と低炭素移動の重要な手段として、各国から積極的に支援を受けている。特に中国では、政府が新エネルギー自動車を「自動車大国から自動車強国への道」と位置づけ、生産・消費を促進する一連の政策を打ち出している。しかし、普及の障害として航続距離の短さ、充電の困難さ、充電速度の遅さが指摘されており、人々はより高速な充電を求めるようになっている。
充電パワーを向上させる方法には電流増加と電圧上昇があるが、低電圧アーキテクチャで大電流を実現するTesla Model 3や極氪001などの車種は、10～30%のSOC（充電状態）でのみ最大電力充電が可能で、発熱量が大きく冷却要求が高いためコスト増加を招く。このため、システム電圧の向上が高効率充電の主流となりつつある。高電圧駆動システムは高電力・高トルク出力が容易で、運転効率向上による航続距離延長や充電速度向上に加え、大電流に伴う車内配線の太径化問題を大幅に緩和し、スペース配置の最適化と車両重量削減に寄与する。
業界では800V電圧クラスが電気自動車の発展方向の一つと広く認識されている。高電圧プラットフォームは充電効率を高め、急速なエネルギー補給を可能にする。高電圧サプライチェーンの成熟に伴い、国外ではPorsche Taycan、Hyundai Ioniq5など、国内メーカーでは小鵬、理想、比亜迪、広汽などが800V高電圧アーキテクチャを採用した車種を展開している。
しかし、電気自動車のより便利で迅速な充電ニーズに応えるため、国内市場には多くの直流急速充電スタンドが投入されているものの、統計によると既存の直流充電器の大部分は500V以下の中低電圧を主とし、私家車向けの中低電圧急速充電器の割合は93.3%を超える。高電圧急速充電器は都市の配電要求が高く、建設コストも高いため、普及には遅れが生じている。そのため、電気自動車が400Vから800Vへ移行する過渡期と今後の発展過程において、高電圧アーキテクチャが低電圧充電器と互換性を持つ問題を解決することが急務となっている。
画期的なアプローチ：駆動システムの多重利用
研究者たちは、電気自動車の駆動システムと充電システムが同時に動作しないという重要な観察に基づいて研究を進めた。車両が走行中は駆動システム（モーターとコントローラ）が作動し、充電システムは休止状態にあり、充電のために停車するとその逆の状態になる。この特性を活かすことで、車両が停車している間に駆動システムの構成要素を充電用の昇圧装置として再利用するソリューションを設計することが可能となり、別個の車載充電器の必要性を排除し、コスト、重量、車内スペースを削減することに成功した。
提案された技術は、充電モードにおいて永久磁石同期電動機（PMSM）とそのインバータを高電力Boostコンバータに変換する。具体的には、モーター巻線がエネルギー貯蔵インダクタとして機能し、モーターのインバータコントローラがチョッパースイッチコントローラとして再利用される。わずか2つのリレースイッチと少数の受動部品を追加するだけで、システムは走行モードと充電モードをスムーズに切り替えることができる。
充電モードでは、システムは三相インターリーブド（並列交錯）Boost回路として動作する。この構成により、充電スタンドの出力電圧（450V）を高電圧車両のバッテリーに必要な電圧（880V）に効率的に変換することが可能となる。インターリーブド技術の採用により電流リップルが低減され、安定かつ効率的なエネルギー伝送が保証される。
技術的課題の克服：モデリングと制御
この技術開発における主な課題は、インダクタとして使用されるモーター巻線の複雑な電磁特性を理解し、管理することであった。研究者たちは、電気自動車に広く使用されている埋め込み型永久磁石同期電動機（PMSM）の三相巻線間の結合関係について詳細な分析を行った。
巻線のインダクタンス値が回転子位置によってどのように変化するかを説明するために、数学モデルが開発された。この分析により、インダクタンス値は周期的な変動を示し、これがBoostコンバータの性能に影響を与える可能性が明らかになった。この問題を解決するため、研究チームは外部インダクタを導入し、巻線間の相互インダクタンスの負の影響を補償し、回転子のすべての位置で一貫した信頼性の高い動作を保証した。
システムの性能に同様に重要なのは制御戦略である。研究者たちは、従来の二重ループ（電圧と電流）制御方法と、比例積分（PI）制御とモデル予測制御（MPC）を組み合わせたより先進的なアプローチを比較した。二重ループ制御は特定のシナリオでは効果的であるが、応答速度とパラメータ調整の複雑さの点で限界がある。
対照的に、提案されたPI-MPCハイブリッド制御戦略は显著な利点を示した。定常状態での精度を保証するために電圧ループにPIレギュレータを維持し、動的応答を改善するために電流ループにMPCを統合することで、システムは高速かつ安定した性能を達成した。MPCコンポーネントはシステムの将来的な状態を予測し、負荷の急激な変化や入力電圧の変動が生じた場合でも、電流リップルを最小限に抑え、電圧安定性を維持するための最適なスイッチング動作を選択する。
シミュレーションと実験による検証
研究者たちは、実際のPMSMに基づくパラメータを使用して、Simulinkを利用した詳細なシミュレーションを実施することで、設計の有効性を確認した。シミュレーションでは、回転子のさまざまな位置における二重ループ制御とPI-MPCハイブリッド制御戦略を比較し、電流リップル、応答時間、安定性などの指標を評価した。
結果は、定常状態では両方の戦略が低いリップルを維持するが、動的シナリオ（負荷や入力電圧の急激な変化）ではPI-MPCハイブリッド制御戦略が二重ループ制御を上回ることを示した。例えば、負荷が急激に減少した場合、PI-MPCを搭載したシステムは8.66msで安定状態に達するのに対し、二重ループ制御では12.03msが必要だった。さらに、過電圧が小さくなり、バッテリーと構成要素が保護される。
現実世界での結果を検証するため、研究者たちは250kWのPMSM、電力コントローラ、外部インダクタ、抵抗バンク、計測機器を備えた50kWの実験プラットフォームを構築した。実験パラメータ（入力電圧250V、出力電圧400V）は現実的な条件を反映するように選択された。
実験結果はシミュレーションの発見を確認し、システムが安定した電圧昇圧を実現し、三相の電流が均衡し、入力リップルが許容範囲内に収まることを示した。PI-MPC戦略は、動的テストにおいて再度優れた性能を発揮し、二重ループ法に比べて負荷変動時の安定化時間が短く、電圧変動が小さかった。
自動車産業と持続可能なモビリティへの影響
この駆動多重昇圧技術の成功的な開発は、電気自動車産業に深い影響を与える。高電圧車両が既存の低電圧充電インフラを利用できるようにすることで、先進的なEVアーキテクチャの採用に対する主な障害が除去される。これにより、新しい充電インフラへの大規模な投資を必要とせずに、より効率的で航続距離の長い電気自動車への移行を加速することが可能となる。
この技術は経済的な利点も提供する。別個の車載充電器の必要性を排除することで、電気自動車のコスト、重量、必要なスペースが削減される。これにより電気自動車が消費者にとってより手頃で魅力的なものとなり、市場浸透をさらに促進する。さらに、既存の構成要素とインフラの利用効率が向上することで、電動モビリティエコシステム全体の持続可能性が向上する。
乗用車だけでなく、この技術は商用トラックやバスなど、充電インフラの課題がさらに顕著な他の電動モビリティ分野にも応用できる可能性がある。システム多重化と効率的なエネルギー変換の基本原則は、他のエネルギー変換システムの開発にも啓発を与え、エネルギー効率と持続可能性を向上させるためのより広範な取り組みに貢献することができる。
結論：障壁のない電動モビリティへ
電気自動車市場が成長し進化し続ける中、さまざまな世代の技術間の相互運用性の必要性がますます重要になっている。この研究チームによって開発された駆動多重昇圧技術は、この必要性に応えるための重要な一歩を代表し、充電インフラの互換性課題に対する実用的で経済的かつ効率的な解決策を提供する。
シミュレーションと実験の結果は、システムが定常状態と動的応答の両方において優れた性能を持ち、信頼性高く動作することを実証している。これは製造業者と消費者に利益をもたらすだけでなく、より持続可能で適応性の高い充電インフラの開発にも貢献する。
業界がさらに高い電圧アーキテクチャに向けて前進するにつれ、このようなソリューションは円滑で包括的かつ効率的な移行を保証する上で極めて重要となる。電動モビリティは、より先進的な車両だけに依存するのではなく、どこでも誰にとっても充電を利用可能にする技術にも依存するようになるだろう。
本研究は、西南交通大学電気工学学院（成都）の侯文博、楊平、陳可、呉文容、および中国電力科学研究院有限公司用電・エネルギー効率研究所（北京）の屈博によって実施されました。その成果は「電工技術学報（Transactions of China Electrotechnical Society）」誌（2024年12月、第39巻増刊1号）に掲載され、DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.L11033で公開されています。
この技術の意義は、単に高電圧EVと低電圧充電インフラの互換性を確保するだけでなく、自動車産業の全体的な発展にも波及効果をもたらすことにあります。従来、駆動システムと充電システムはそれぞれ独立した装置として開発・生産されてきましたが、この多重利用技術により、部品の共通化が進み、製造コストの削減と生産効率の向上が期待できます。また、車載スペースの節約により、車両設計の自由度が高まり、より多くの機能を搭載したり、居住性を向上させたりすることが可能となります。
環境面でも、この技術は大きな貢献を果たすと考えられます。部品の削減は資源の節約につながり、廃棄物の減少に寄与します。さらに、充電効率の向上により、電気エネルギーの利用効率が高まり、全体的な炭素排出量の削減にも役立つでしょう。特に、既存の充電インフラを有効活用することで、新たな充電スタンドの建設に伴う環境負荷も軽減されます。
市場の観点から見ると、この技術は電気自動車の普及を促進する重要な要素となり得ます。消費者は高電圧EVの高性能を享受しながら、既存の充電ネットワークを安心して利用できるようになるため、購入意欲が高まる可能性があります。また、充電インフラ事業者にとっても、高額な設備投資を急ぐ必要が減るため、事業展開がより柔軟になるというメリットがあります。
今後の発展に向けて、研究者たちはさらなる改良と最適化を進めていく予定です。例えば、制御アルゴリズムの精度向上により、さまざまな環境条件や負荷状況においてもより安定した性能を発揮できるようにすること、部品の小型化と軽量化を推進して車両への搭載性を高めることなどが課題として挙げられます。さらに、実用化に向けての耐久性試験やコスト低減のための量産技術の開発も重要なポイントとなります。
また、この技術は他の分野への応用も期待されています。例えば、電気バスやトラックなどの商用車両に適用することで、物流や公共交通の電動化を加速することが可能です。さらに、蓄電システムや太陽光発電などのエネルギー分野においても、効率的な電力変換技術として応用できる可能性があります。
全体的に見て、この駆動多重昇圧技術は電気自動車産業の発展に新たな方向性を提示するものであり、持続可能なモビリティ社会の構築に大きな役割を果たすと期待されます。研究者たちの努力によって得られた知見と技術は、今後さまざまな産業や分野に波及し、私たちの生活や社会全体に深い影響を与えることでしょう。